Zakładam, że istnieją lżejsze i mocniejsze tworzywa sztuczne niż materiały używane do budowy samolotów.

To nie jest prawidłowe założenie.

Typowe tworzywa sztuczne do drukarek 3D mają wytrzymałość na rozciąganie w najlepszym przypadku 45–50 MPa.
Aluminium 7075, popularny stop stosowany w przemyśle lotniczym, ma wytrzymałość na rozciąganie 500-570 MPa.

Po podzieleniu przez ciężar właściwy daje to stosunek wytrzymałości właściwej 1: 4-1: 5 na korzyść metalu. Nie ma znaczącego zastosowania, w którym tworzywa sztuczne do drukarek 3D, których właściwości zależą od lepkości, przyczepności i innych właściwości drukowania, oferowałyby lepszą wytrzymałość na wagę niż metale lotnicze i kompozyty wzmocnione włóknami.

Pewna ilość drukowanych w 3D tworzyw sztucznych prawdopodobnie pojawi się we wnętrzach kabin, w przypadku części o małej objętości lub złożonych wydrążonych części, które nie są poddawane znacznym naprężeniom. Jednak części przenoszące obciążenia wymagają dużej wytrzymałości i wysokiego stosunku wytrzymałości do masy. Jeśli jest zbyt ciężki, nie wystartuje, a jeśli materiał jest zbyt słaby, nie pozostanie w jednym kawałku.

Krótka odpowiedź brzmi: nie budują samolotów z drukarki 3D plastik (lub glina, gips lub strzecha), ponieważ chcą, aby latały.

Weźmy ABS, który jest niezwykle popularnym tworzywem sztucznym używanym do druku 3D. Na typowej wysokości lotu temperatura powietrza na zewnątrz będzie rzędu -51 ° C / -60 ° F. Najniższa temperatura znamionowa dla ABS to -20 ° C. Mam nadzieję, że rozumiesz, dlaczego samo to może stanowić problem.

Wikipedia podaje również, że ABS i PLA, który jest drugim głównym tworzywem do drukowania 3D, są uszkadzane przez światło słoneczne. Samoloty generalnie widzą dużo światła słonecznego.

Ponadto w odniesieniu do „Możesz być w stanie bezpiecznie wylądować z kilkoma spadochronami w przypadku awarii silnika”, dwa szybkie punkty:

Więcej informacji o tym, dlaczego spadochrony nie mają sensu, można znaleźć na stronie Dlaczego duże samoloty komercyjne nie mają pełnych spadochronów?.

Jeśli nie wiedzieliście, kadłub Boeinga 787 jest wykonany głównie nie z aluminium, ale z polimeru wzmocnionego włóknem węglowym, który jest materiałem na bazie tworzywa sztucznego. Trwają więc prace, aby upewnić się, że samoloty są wykonane z różnych materiałów, ale nie jest to szczególnie proste ani proste.

Dzieje się tu kilka rzeczy.

Zakładasz, że tworzywa sztuczne są mocniejsze i lżejsze niż metale i kompozyty używane obecnie do produkcji samolotów. Odpowiedź Therac zaprzecza temu założeniu (spoiler: tworzywa sztuczne są znacznie słabsze i mniej sztywne), ale jest pewna subtelność. W wielu zastosowaniach tworzywa sztuczne drukowane w 3D mogą być wzmocnione lub sztywniejsze przy tej samej wadze, ponieważ złożone kształty (których nie można obrabiać z metalu) można wydrukować w środku. Jest to ten sam rodzaj korzyści, jaki można uzyskać, zastępując pełną belkę belką dwuteową lub kratownicą, ale można ją zastosować w przypadku mniejszych skal i bardziej złożonych geometrii. Ale części konstrukcyjne samolotu to zazwyczaj poszycie, które jest wykonane z cienkich arkuszy oraz żebra i inne elementy, które są już wykonane z kratownic, belek dwuteowych i innych optymalizacji geometrii, więc trudniej jest nadrobić tę różnicę .

Nawet jeśli nie chciałbyś budować płatowca lub silników z plastiku (drukowanego 3D lub wyprodukowanego inną techniką), w dzisiejszych samolotach pasażerskich jest wiele plastikowych części, a wiele z nich to Druk 3D, ponieważ jest tańszy ze względu na wielkość serii produkcyjnej niż tworzenie oprzyrządowania niezbędnego do ich wtrysku. Druk 3D jest również coraz częściej stosowany w przypadku części zamiennych lub modyfikacji wycofanych z eksploatacji typów samolotów, w przypadku których oryginalne części są rzadkie lub drogie. W dłuższej perspektywie istnieje potencjał, aby radykalnie zmniejszyć potrzebę dystrybucji części zamiennych do wszystkich miejsc, w których znajdują się Twoje samoloty. W tej chwili, jeśli prowadzisz linię lotniczą i lecisz na jakieś lotnisko regionalne, musisz zrezygnować z ryzyka utknięcia tam samolotu bez części zamiennych w porównaniu z kosztem posiadania zapasów części zamiennych w tej witrynie. To nie są tylko części zapasowe o krytycznym znaczeniu dla lotu: powiedzmy, że wszystkie toalety w Twoim samolocie się psują, a nie masz żadnych części zamiennych na miejscu. Być może będziesz musiał odwołać loty i polecieć pustym samolotem do „centrum”, mieć części zamienne, co jest bardzo kosztowne.

Uzyskanie certyfikatu części wydrukowanych w 3D (lub jakiejkolwiek innej metody produkcji) to długi proces, ponieważ muszą one być bezpieczne, odtwarzalne i identyfikowalne. Drukarka musi zagwarantować, że każda część mieści się w zakresie tolerancji, a każda część musi być identyfikowalna z powrotem do oryginalnej przesyłki z tworzywa sztucznego, z której została wykonana - tak, aby właściwy samolot mógł zostać uziemiony w mało prawdopodobnym przypadku, gdy zła partia dotrze do celu kontrola. Do wnętrz można używać tylko niektórych materiałów, ponieważ należy je przetestować, aby upewnić się, że nie wydzielają toksycznego dymu w przypadku pożaru. To badanie nie jest na poziomie „PEEK jest w porządku”, ale „ta konkretna marka filamentu PEEK, wyprodukowana w tym konkretnym procesie w tej fabryce, jest w porządku”.

Pomimo długiej drogi do certyfikacji , dwaj najwięksi producenci OEM samolotów są obecnie wysyłającymi samoloty z setkami komponentów wydrukowanych w 3D.

Chociaż wspomina się o drukowaniu 3D z tworzyw sztucznych, drukowanie 3D z metalami jest rozwijającą się dziedziną. Niektóre butikowe firmy motoryzacyjne używają tytanowych części silników drukowanych w 3D, ponieważ mogą drukować struktury, które nie są osiągalne przy obróbce skrawaniem, aby zmniejszyć wagę. Chociaż te techniki są mniej dojrzałe - uzyskanie właściwych wymiarów jest nadal wyzwaniem - drukowanie na metalu niekonstrukcyjnych części samolotów już się zaczyna.

Jak wspominają inne odpowiedzi, wytrzymałość formowanych lub zadrukowanych tworzyw sztucznych jest o rząd wielkości niższa niż typowych metali stosowanych w przemyśle lotniczym. Ale także sztywność jest znacznie niższa. Porównaj Al 7075, o którym wspomina odpowiedź Therac, z materiałem termoplastycznym Ultem 9085 z certyfikatem Stratasys. Aluminium ma moduł sprężystości około 70 GPa, podczas gdy moduł sprężystości Ultema wynosi 2–2,6 GPa (w zależności od sposobu drukowania).

Kiedyś próbowaliśmy zbudować model tunelu aerodynamicznego na drukarce 3D. Ładnie wyglądał, gdy był skończony. Ale kiedy został poddany obciążeniom w tunelu, potwornie się wypaczył. Wyniki były bezużyteczne. Wydrukowane w 3D skrzydło skonstruowane jak dzisiejsze konwencjonalne skrzydło nie tylko pękłoby, ale przedtem wypaczyłoby się i wykręciło całkowicie.

Kolejną słabością jest wrażliwość na promieniowanie UV. Podczas gdy metale mogą wytrzymać lata intensywnego promieniowania słonecznego w nienaruszonym stanie, wiązania w polimerach cierpią z powodu wysokiej energii promieni UV (PVC jest wyjątkiem, ale cieszy się niezasłużoną złą reputacją), więc każda wydrukowana w 3D powierzchnia ulegnie zniszczeniu w otwartym terenie. Powłoki ochronne są tylko tymczasową pomocą i dodają wagi.

Tworzywa sztuczne używane w samolotach są bardzo podobne do żelbetu, gdzie potrzebna jest zarówno wysoka wytrzymałość na ściskanie, jak i na rozciąganie. Sam związek z tworzywa sztucznego, polisester, winyloestr lub najczęściej żywica epoksydowa, zapewnia wytrzymałość na ściskanie i stabilizuje składnik włóknisty, taki jak beton, a składnik włókien, szklany lub węglowy, zapewnia większą lub mniejszą większość wytrzymałości na rozciąganie jak zbrojenie w betonie.

Podobnie jak w przypadku konstrukcji z betonu zbrojonego, problem polega na tym, jak ustawić lub zorientować element włóknisty, aby włókna mogły w sposób ciągły przenosić obciążenia rozciągające. Od razu widać, że sama mieszanka żywicy nie będzie działać w przypadku części o wysokim naprężeniu; trzeba mieć osadzony w żywicy element nośny, który powinien być mniej więcej ciągły wzdłuż ścieżki obciążenia.

Losowe segmenty włókien w matrycy z żywicy, takie jak cięte włókno szklane używane w łodziach, nie nadają się do czegoś w rodzaju mocno obciążonej belki. Włókna muszą być ciągłe od końca do końca, znowu podobnie jak belka żelbetowa. To wyklucza proces, w którym drukarka 3D mogłaby osadzać żywicę i włókna w tym samym czasie.

Możliwe jest wykonanie niektórych części samolotów z plastiku drukowanego w 3D, w którym sam plastik zastępuje, powiedzmy , odlew aluminiowy i żywica z tworzywa sztucznego są tak mocne, mają wymaganą twardość i mogą wytrzymać temperatury. Obecnie takie części byłyby najprawdopodobniej wytwarzane metodą wtrysku, ponieważ druk 3D jest tak nowy. Ale z pewnością zobaczysz, że części równoważne odlewom naprężeniowym zaczynają pojawiać się w lotnictwie dzięki drukowaniu 3D, szczególnie w przypadku części o małej objętości, w przypadku których proces wymaga tylko wykonalnego zastosowania i procesu certyfikowanego. To konserwatywna branża, więc musisz poświęcić jej czas.

Na razie wyzwaniem jest wykonanie części z matrycy żywicznej, która wymaga dużej wytrzymałości na rozciąganie, którą można w jakiś sposób wydrukować w 3D z włączonymi elementami wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie i odpowiednio zorientować w procesie drukowania 3D. Nie takie proste.

Prawdopodobnie w ciągu następnych 10 lat ktoś wymyśli radykalnie nowy związek z tworzywa sztucznego zawierający coś takiego jak grafen w posiada wszystkie pożądane właściwości we wszystkich kierunkach i może być obrobiony z bloku lub osadzony i utwardzony w procesie drukowania. Następnie otrzymamy drzewce skrzydeł, ramy i skórki wydrukowane w 3D.

Krótka odpowiedź jest taka, że ​​w świecie modeli RC istnieją samoloty drukowane w 3D.

Są one jednak cięższe i bardziej kruche niż tradycyjne materiały, więc nie są wspólny. To, w czym są dobrzy, to tworzenie skomplikowanych kształtów z dużą ilością szczegółów bez kosztownych narzędzi.

W lotnictwie chodzi o materiałoznawstwo

To jedyna rzecz, która utrzymywała Leonarda Da Vinci na ziemi. Był na dobrej drodze; Gdyby miał dostęp do epoksydu z włókna szklanego i silnika Lycoming, nie miałby żadnych problemów ze zbudowaniem samolotu.

Nawet w 1800 roku, kiedy rozwijała się technologia drewna i żagli, metalurgia nie była wystarczająco dobra, aby silnik był wystarczająco lekki. Stevenson pokazywał Wattowi, że metalurgia jest wystarczająco dobra, aby zbudować mniejsze, szybsze silniki parowe o mocy 20 koni mechanicznych, które mogłyby zmieścić się w pomieszczeniu zamiast w domu, ale „szybszy” to słowo względne.

Piętą achillesową druku 3D jest wytrzymałość materiałów. Dlatego nie drukujemy 3D głowic cylindrów ani zawiasów i dlaczego nie podbiło świata.

Druk 3D po prostu nie może pomieścić materiałów wytrzymałych na lotnictwo ... A jednak.

Mógłbyś zbudować samolot, ale żeby latać miał dość siły, byłby o wiele za ciężki do latania.

Gdybyśmy mieli upuścić „plastik”, odpowiedź brzmiałaby: tak, Boeing używa druku 3D w 787 Dreamliner. Nie są to jednak tworzywa sztuczne, ale tytan. Nieco mocniejszy niż zwykły plastik ABS. Od https://aerospaceamerica.aiaa.org/departments/making-3d-printed-parts-for-boeing-787s/

33-centymetrowy tytan elementy mocujące podłogę kuchni na rufie do płatowca 787 i przenoszące naprężenia strukturalne

Wspomina się również o dyszach paliwowych silników GEnx, które są drukowane w 3D poprzez stapianie proszku metalu za pomocą laserów.